(57)【要約】【課題】伝熱細管を流れる熱媒体液の流速を増大させて、血液流路の容積の増大を抑制しながら、熱交換効率を向上させる。【解決手段】複数本の伝熱細管１を含む細管束２が、シール部材３ａ〜３ｃにより、伝熱細管と交差する血液流路５を形成して封止されている。熱媒体液の導入、導出ポート６ａ、７ａを有する伝熱細管ヘッダー６、７が、細管束の端部を収容する流動室を形成している。細管束は血液流路の流通方向において分割され、細管束ユニット１２ａ〜１２ｃの積層構造として機能する。流動室は、隔壁６ｂ、７ｂにより、細管束ユニットの端部を収容する複数の流動分室１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂに区画され、熱媒体液を、流動分室を経由して各細管束ユニットを順次通過させる流路が形成される。隔壁に対応する境界の両側の細管束ユニットの一方は、他方よりも端部が突出し、その突出部分の側面に隔壁の側面が当接して、流動分室間が分離されている。【選択図】図１Ｂ
2010284196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内腔に熱媒体液を流通させるための複数本の伝熱細管を配列し積層して形成された細管束と、
前記伝熱細管の両端を露出させるとともに、前記伝熱細管の各々の外表面に接触させて血液を通過させるように前記伝熱細管と交差する血液流路を形成して前記細管束を封止したシール部材と、
前記シール部材及び前記細管束を収容するとともに、前記血液流路の両端に各々位置する血液の導入口及び導出口が設けられたハウジングと、
前記細管束の両端部をそれぞれ収容する流動室を形成し、前記熱媒体液の導入ポート及び導出ポートを有する一対の伝熱細管ヘッダーとを備えた医療用熱交換器において、
前記細管束は、前記血液流路の流通方向において複数段に分割されて、各段が複数本の前記伝熱細管を含む細管束ユニットの積層構造として機能し、
少なくとも一方の前記流動室は、前記細管束ユニットの境界に対応させて設けられた隔壁により、各々１段または２段の前記細管束ユニットの端部を収容する複数の流動分室に区画されて、前記導入ポートから流入する前記熱媒体液が、いずれかの前記流動分室を経由して前記複数段の細管束ユニットを順次通過し、他のいずれかの前記流動分室を経由して前記導出ポートから流出するように流路が形成され、
前記隔壁に対応する境界の両側に位置する前記細管束ユニットの一方は、他方の前記細管束ユニットよりも端部が突出し、その突出した前記細管束ユニットの側面に前記隔壁の側面が当接して、前記隔壁の両側の前記流動分室間が分離されていることを特徴とする医療用熱交換器。
【請求項２】
前記隔壁に対応する境界を挟んだ両側の段の前記細管束ユニットのうち、前記熱媒体液の流路中で前記熱媒体液が流出する側に配置された方の前記細管束ユニットの端部が、流入する側に配置された前記細管束ユニットの端部よりも突出している請求項１に記載の医療用熱交換器。
【請求項３】
前記隔壁は、前記細管束ユニットの側面に当接する側面部分が、前記伝熱細管の内部に向かって細くなったテーパを形成している請求項１または２に記載の医療用熱交換器。
【請求項４】
前記熱媒体液が、前記血液流路の下流側に配置された下流段の前記細管束ユニットから上流側に配置された上流段の前記細管束ユニットに向かって順次通過するように、前記伝熱細管ヘッダーが構成された請求項１〜３のいずれか１項に記載の医療用熱交換器。
【請求項５】
前記血液流路は、周囲を前記シール部材で封止された円筒状に形成されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の医療用熱交換器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器と、
ガス流路と交差してガス交換を行うための血液流路を有する人工肺とを備え、
前記熱交換器と前記人工肺とは積層されて、前記熱交換器の前記血液流路と前記人工肺の前記血液流路が連通している人工肺装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器、特に人工肺装置等の医療機器に用いるのに適した医療用熱交換器、及びその製造方法、並びにそれを備えた人工肺装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
心臓手術においては、患者の心臓を停止させ、その間の呼吸及び循環機能を代行するために、人工心肺装置が用いられている。また、手術中は患者の酸素消費量を減少させるため、患者の体温を低下させ、それを維持する必要がある。このため、人工心肺装置には、患者から取り出した血液の温度を調整するための熱交換器が備えられている。
【０００３】
このような医療用の熱交換器としては、従来、蛇腹管式の熱交換器や、多管式の熱交換器が知られている。このうち、多管式の熱交換器は、蛇腹管式の熱交換器と装置容積が同じであるとすると、大きな熱交換面積が得られるため、蛇腹管式の熱交換器に比べて熱交換効率が高いという利点がある。
【０００４】
従来例の、例えば、特許文献１に記載された多管式の熱交換器について、図１０Ａ〜図１０Ｃを参照して説明する。図１０Ａは多管式の熱交換器の上面図、図１０Ｂは側面図である。図１０Ｃは、熱交換器のハウジング内部の細管束モジュールを示す斜視図であり、部分的に断面で示されている。
【０００５】
この熱交換器は、熱媒体液である冷温水を流す複数本の伝熱細管１０１から構成される細管束１０２と、細管束１０２を封止するシール部材１０３ａ〜１０３ｃと、それらを収容したハウジング１０４とから構成されている。
【０００６】
複数本の伝熱細管１０１は、平行に配列され積層されて細管束１０２を形成している。図１０Ａ及び図１０Ｃに示すように、中央部のシール部材１０３ｃは、細管束１０２の長手方向中央部に、円形断面を有する血液流路１０５を形成している。血液流路１０５は、被熱交換液である血液を、伝熱細管１０１の各々の外表面に接触するように流通させるための熱交換流路として機能する。両端部のシール部材１０３ａ、１０３ｂは各々、細管束１０２の両端を露出させている。
【０００７】
図１０Ｂに示すように、ハウジング１０４には、血液流路１０５の上下両端に位置して、血液をハウジング１０４内に導くための血液導入口１０６と、血液をハウジング１０４から導出するための血液導出口１０７とが設けられている。また、シール部材１０３ａ〜１０３ｃのそれぞれの間には、間隙１０８が設けられ、ハウジング１０２には、間隙１０８に対応する漏液排出孔１０９が設けられている。
【０００８】
以上の構成において、血液を血液導入口１０６から流入させて、血液流路１０５を通り血液導出口１０７から流出するように流動させる。同時に、図１０Ａ、図１０Ｂに示すように冷温水を、細管束１０２の露出された一端から流入させて、露出された他端から流出するように流動させる。それにより、血液流路１０５において、血液と冷温水の間で熱交換が行われる。
【０００９】
間隙１０８は、シール漏れによって血液あるいは冷温水が漏洩した場合に、漏洩を検出するために設けられている。すなわち、第３のシール部材１０３ｃのシール漏れがあった場合には、漏洩した血液が間隙１０８に現れることにより、漏洩を検出することができる。また、第１のシール部材１０３ａ又は第２のシール部材１０３ｂのシール漏れによって冷温水が漏洩した場合も、漏洩した冷温水は間隙１０８に現れ、漏洩を検出することができる。間隙１０８に漏洩した血液あるいは冷温水は、漏液排出孔１０９から熱交換器の外部へと排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−２２４３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述のような多管式の熱交換器に対して、熱交換効率を更に向上させることが要求されている。すなわち、血液流路１０５における血液充填量を極力少なくし、しかも、十分な熱交換能を得るためには、熱交換効率を向上させる必要があるからである。
【００１２】
本発明者らが検討した人工肺用の熱交換器の場合、実用上、熱交換効率が０．４３以上であることが望ましいことが判った。この目標値をクリアするために必要な熱交換面積は、血液流量２Ｌ／ｍｉｎのときに０．０１４ｍ2であった。これを、熱交換器の能力を血液流量７Ｌ／ｍｉｎに向上させた構造に適用した場合、熱交換面積シミュレーションの結果、０．４３以上の熱交換効率を得るためには０．０４９ｍ2の熱交換面積が必要であることが判った。ここで、熱交換効率は、下記の式で定義される。
【００１３】
熱交換効率＝（ＴBOUT−ＴBIN）／（ＴWIN−ＴBIN）
ＴBIN  ：血液流入側温度
ＴBOUT ：血液流出側温度
ＴWIN  ：熱媒体（水）流入側温度
例えば外径が１．２５ｍｍの伝熱細管１０１を用いた場合、伝熱細管１０１の積層数（細管層数）を６層にすれば、０．０５７ｍ2の熱交換面積が得られることが判る。しかし、そのような６層構成の細管束１０２からなる熱交換モジュールを用い、血液流路１０５の開口径を７０ｍｍとして熱交換効率を測定したところ、０．２４という、目標値よりはるかに低い値しか得られなかった。
【００１４】
そこで、外径が１．２５ｍｍの伝熱細管１０１を用い、血液流路１０５の開口径を７０ｍｍとして、細管層数を種々に増大させた熱交換モジュールを作製し、熱交換効率を測定した。その結果、熱交換効率０．４３をクリアするためには、細管層数を１８層以上にする必要があることが判った。しかし、上述の条件で細管層数を１８層にすると、血液流路における血液充填量が４２．３ｍＬとなり、血液充填量の望ましい値である３０ｍＬをはるかに超えることになる。血液充填量を３０ｍＬ以下にするためには、計算によれば、細管層数を１３層以下にしなければならない。
【００１５】
このように、単純に熱交換面積を大きくすることでは、所望の熱交換効率を得ることは困難である。そのため、熱交換効率を低下させると思われる原因について分析を行った。その結果、熱交換効率を低下させる原因としては、伝熱細管１０１の内腔を流れる冷温水の流速の影響が大きいことが判った。これは、冷温水の流速が境膜抵抗の変化に影響を与えることによるものと考えられる。
【００１６】
そこで本発明は、伝熱細管の内腔における熱媒体液の流れを適切に制御して、熱交換領域の容積を小さく抑制しながら、熱交換効率を向上させることが可能な医療用熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の医療用熱交換器は、内腔に熱媒体液を流通させるための複数本の伝熱細管を配列し積層して形成された細管束と、前記伝熱細管の両端を露出させるとともに、前記伝熱細管の各々の外表面に接触させて血液を通過させるように前記伝熱細管と交差する血液流路を形成して前記細管束を封止したシール部材と、前記シール部材及び前記細管束を収容するとともに、前記血液流路の両端に各々位置する血液の導入口及び導出口が設けられたハウジングと、前記細管束の両端部をそれぞれ収容する流動室を形成し、前記熱媒体液の導入ポート及び導出ポートを有する一対の伝熱細管ヘッダーとを備える。
【００１８】
上記課題を解決するために、前記細管束は、前記血液流路の流通方向において複数段に分割されて、各段が複数本の前記伝熱細管を含む細管束ユニットの積層構造として機能する。少なくとも一方の前記流動室は、前記細管束ユニットの境界に対応させて設けられた隔壁により、各々１段または２段の前記細管束ユニットの端部を収容する複数の流動分室に区画されて、前記導入ポートから流入する前記熱媒体液が、いずれかの前記流動分室を経由して前記複数段の細管束ユニットを順次通過し、他のいずれかの前記流動分室を経由して前記導出ポートから流出するように流路が形成される。前記隔壁に対応する境界の両側に位置する前記細管束ユニットの一方は、他方の前記細管束ユニットよりも端部が突出し、その突出した前記細管束ユニットの側面に前記隔壁の側面が当接して、前記隔壁の両側の前記流動分室間が分離されている。
【発明の効果】
【００１９】
上記本発明の医療用熱交換器の構成によれば、細管束が分割された複数組の細管束ユニットを、熱媒体液が順次通過するように構成されているので、各細管束ユニットの伝熱細管を流れる冷温水の流速を大きくすることができる。その結果、伝熱細管の内壁における境膜抵抗が低減され、熱交換領域の容積の増大を抑制しながら、熱交換効率を向上させることが可能となる。
【００２０】
また、そのための複数の流動分室を、隔壁に対応する境界を挟んだ両側の段の細管束ユニットの一方の端部が突出し、その突出した側面に隔壁の側面が当接した簡素な構成により設けることができる。それにより、細管束ユニットの間の間隔を最小限にして、熱交換領域での血液充填量を最小限に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】実施の形態１における医療用熱交換器の構成を示す上面図
【図１Ｂ】同医療用熱交換器のＡ−Ａ断面図
【図１Ｃ】同医療用熱交換器のＢ−Ｂ断面図
【図２Ａ】同医療用熱交換器の要部を示す拡大断面図
【図２Ｂ】同医療用熱交換器の他の要部を示す拡大断面図
【図３Ａ】同医療用熱交換器に用いられる、細管束ユニットを積層した細管束のモジュールを示す斜視図
【図３Ｂ】同モジュールの正面図
【図４Ａ】同モジュールに含まれる細管束ユニットを構成する単位細管列の斜視図
【図４Ｂ】同単位細管列の正面図
【図５】細管束の分割の態様と熱交換係数の関係を示す図
【図６】細管束のの折り返し構造と熱交換係数の関係を示す図
【図７Ａ】実施の形態１における医療用熱交換器の他の態様の要部を示す拡大断面図
【図７Ｂ】同医療用熱交換器の他の要部を示す拡大断面図
【図８】実施の形態１における医療用熱交換器の更に他の態様の要部を示す拡大断面図
【図９】実施の形態２における人工肺装置を示す断面図
【図１０Ａ】従来例の熱交換器の構成を示す上面図
【図１０Ｂ】同熱交換器の構成を示す側面図
【図１０Ｃ】同熱交換器における細管束のモジュールを一部断面で示す斜視図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の医療用熱交換器は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。
【００２３】
すなわち、前記隔壁に対応する境界を挟んだ両側の段の前記細管束ユニットのうち、前記熱媒体液の流路中で前記熱媒体液が流出する側に配置された方の前記細管束ユニットの端部が、流入する側に配置された前記細管束ユニットの端部よりも突出している構成とすることが好ましい。この場合、熱媒体液が流出する側に配置された細管束ユニットの側面に隔壁が当接する構造となる。従って、伝熱細管に流入する熱媒体液の流れは、細管束ユニットの突出部と隔壁の当接面に対して衝突する向きにはならず、流動分室間の液漏れが発生し難い。
【００２４】
また、前記隔壁は、前記細管束ユニットの側面に当接する側面部分が、前記伝熱細管の内部に向かって細くなったテーパを形成していることが好ましい。それにより、細管束ユニットの側面と隔壁のテーパ面の間に圧接力が作用し、両側面間の密閉度を向上させることができる。
【００２５】
また、前記熱媒体液が、前記血液流路の下流側に配置された下流段の前記細管束ユニットから上流側に配置された上流段の前記細管束ユニットに向かって順次通過するように、前記伝熱細管ヘッダーが構成されることが好ましい。それにより、熱媒体液の流れが被熱交換液の流れに対して向流となり、熱交換効率の向上に有利である。
【００２６】
また、前記血液流路は、周囲を前記シール部材で封止された円筒状に形成されていることが好ましい。
【００２７】
上記いずれかの構成の熱交換器と、ガス流路と交差してガス交換を行うための血液流路を有する人工肺とを備え、前記熱交換器と前記人工肺とは積層されて、前記熱交換器の前記血液流路と前記人工肺の前記血液流路が連通している人工肺装置を構成することができる。
【００２８】
以下、本発明の実施の形態における医療用熱交換器について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、人工肺装置への適用例であって、患者から脱血した血液の温度調整に用いられる熱交換器を例として記述される。
【００２９】
（実施の形態１）
図１Ａは、実施の形態１における医療用熱交換器を示す平面図である。図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ断面図、図１Ｃは図１ＡのＢ−Ｂ断面図である。この熱交換器は、熱媒体液として冷温水を流通させるための複数本の伝熱細管１から構成された細管束２と、細管束２を封止したシール部材３ａ〜３ｃと、それらを収容したハウジング４とから構成されている。
【００３０】
複数本の伝熱細管１は、平行に配列され積層されて細管束２を形成し、各々の伝熱細管１の内腔に冷温水が流通する。中央部のシール部材３ｃにおける細管束２の長手方向中央部には、円形断面を有する血液流路５が形成され、被熱交換液である血液を流通させるための熱交換領域として機能する。血液流路５を通過する血液が、伝熱細管１の各々の外表面に接触することにより、熱交換が行われる。両端部のシール部材３ａ、３ｂは、細管束２の両端を露出させている。
【００３１】
ハウジング４は、細管束２の両端に面して伝熱細管ヘッダー、すなわち冷温水を導入するため冷温水導入ヘッダー６及び導出するため冷温水導出ヘッダー７を有する。ハウジング４には更に、図１Ｂに示されるように、血液流路５の上下両端に位置させて血液導入口８、および血液導出口９が設けられている。冷温水導入ヘッダー６、及び冷温水導出ヘッダー７にはそれぞれ、冷温水導入ポート６ａ、及び冷温水導出ポート７ａが設けられている。また、シール部材３ａ〜３ｃのそれぞれの間には、従来例と同様に間隙１０が設けられ、ハウジング４には、間隙１０に対応させた漏液排出孔１１が設けられている。
【００３２】
図１Ｂに示すように、冷温水導入ヘッダー６及び冷温水導出ヘッダー７は、両端部のシール部材３ａ、３ｂから露出した細管束２の両端をそれぞれ収容する空室である流動室を形成している。左側の流動室は、上部流動分室１３ａ、及び下部流動分室１３ｂに区画され、右側の流動室は、上部流動分室１４ａ、下部流動分室１４ｂに区画されている。従って、導入され導出される冷温水は全て、冷温水導入ヘッダー６及び冷温水導出ヘッダー７が形成する各流動分室を経由して流動する。
【００３３】
本実施の形態によれば、細管束２が図１Ｂに示すように、血液流路５の流通方向において３段に分割されて、各段が３層の伝熱細管１を含む第１〜第３細管束ユニット１２ａ〜１２ｃの積層構造として機能するように構成されている。第１〜第３細管束ユニット１２ａ〜１２ｃの両端部は各々、上部流動分室１３ａ、１４ａ、及び下部流動分室１３ｂ、１４ｂに対応している。
【００３４】
左側の上部流動分室１３ａと下部流動分室１３ｂは、隔壁６bにより分離されている。上部流動分室１３ａ内には第１、第２細管束ユニット１２ａ、１２ｂの端部が配置され、下部流動分室１３ｂ内には第３細管束ユニット１２ｃの端部が配置されている。すなわち、隔壁６bは、第２細管束ユニット１２ｂと第３細管束ユニット１２ｃの境界部に配置されている。同様に、右側の上部流動分室１４ａと下部流動分室１４ｂは、隔壁７ｂにより分離されている。上部流動分室１４ａ内には第１細管束ユニット１２ａの端部が配置され、下部流動分室１４ｂ内には第２、第３細管束ユニット１２ｂ、１２ｃの端部が配置されている。すなわち、隔壁７bは、第１細管束ユニット１２ａと第２細管束ユニット１２ｂの境界部に配置されている。
【００３５】
左側の上部流動分室１３ａと下部流動分室１３ｂを、隔壁６bにより分離するために、図２Ａに拡大して示すように、第２細管束ユニット１２ｂの左端部は、第３細管束ユニット１２ｃの左端部よりも突出した突出部１５ａを形成している。第２細管束ユニット１２ｂの突出部１５ａの側面に、隔壁６bの側面が当接しており、両側面の境界では、実用上十分な程度の液密構造が形成されている。第３細管束ユニット１２ｃの左端面と隔壁６bの先端との間には、間隔ｄが設けられている。
【００３６】
ここで、実用上十分な程度の液密構造とは、冷温水導入ポート６ａから下部流動分室１３ｂに導入された冷温水が第３細管束ユニット１２ｃに流れ込むときに、突出部１５ａにおける両側面の境界部から上部流動分室１３ａに漏れ出す流れが、実用上問題の無い程度に抑制されることを意味する。冷温水が上部流動分室１３ａに漏れ出すことは、血液に対する影響のような問題を生じることはないので、液体を完全に遮断するような密閉構造が要求される訳ではない。従って、突出部１５ａの側面に隔壁６bの側面が当接することは必須ではなく、ある程度の隙間が存在しても問題はない。しかし、そのような漏れは、熱交換効率を低下させる原因になるので、隙間は所定範囲内に抑制されることが必要である。
【００３７】
同様に、右側の上部流動分室１４ａと下部流動分室１４ｂを、隔壁７bにより分離するために、図２Ｂに拡大して示すように、第１細管束ユニット１２ａの右端部は、第２細管束ユニット１２ｂの右端部よりも突出した突出部１５ｂを形成している。第１細管束ユニット１２ａの突出部１５ｂの側面に隔壁７bの側面が当接しており、各々の側面の境界では、実用上十分な程度の液密構造が形成されている。第２細管束ユニット１２ｂの右端面と隔壁７bの先端との間には、間隔ｄが設けられている。
【００３８】
次に、第１〜第３細管束ユニット１２ａ〜１２ｃの細部構造の例について、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、及び図４Ｂを参照して説明する。図３Ａは、伝熱細管１を積層して細管束２を構成した細管束モジュールの形態を示す斜視図である。なお、図示の便宜上、縦方向の寸法を、図１Ｂに対して拡大して示す。以降の他の図面についても同様に、縦方向の寸法を拡大して示す。図３Ｂは、同モジュールの正面図である。
【００３９】
図３Ａ、図３Ｂに示すように、細管束ユニット１２ａ〜１２ｃは各々、伝熱細管１の軸方向に沿って４箇所に配置された細管列保持部材１６ａ〜１６ｄにより、複数本の伝熱細管１を結束して構成されている。１組の細管列保持部材１６ａ〜１６ｄにより、一列（一層）の細管列が結束される。その結束状態の斜視図を、図４Ａに示す。図４Ｂはその正面図である。
【００４０】
互いに平行な状態で一列に配列された複数本の伝熱細管１（図４Ａの例では１６本）が、細管列保持部材１６ａ〜１６ｄにより保持されて、一層分の伝熱細管列が形成されている。細管列保持部材１６ａ〜１６ｄは、各々が伝熱細管１を横切る帯状に形成されており、伝熱細管１により貫通されている。
【００４１】
このような形態の伝熱細管列は、複数本の伝熱細管１が配置された金型に樹脂を流し込んで細管列保持部材１６ａ〜１６ｄを形成する、いわゆるインサート成形によって形成することができる。細管列保持部材１６ａ〜１６ｄの上下面には、隣接する他の伝熱細管列の伝熱細管１を嵌合可能な複数の細管受け凹部１７が形成されている。
【００４２】
図３Ａに示した細管束ユニット１２ａ〜１２ｃは、図４Ａの伝熱細管１の列が各々３層積層されたものである。なお、第１細管束ユニット１２ａと、第２細管束ユニット１２ｂとの間の間隔は、各々の細管束ユニット１２ａ、１２ｂ内での伝熱細管１どうし間の間隔と同じである。第２細管束ユニット１２ｂと、第３細管束ユニット１２ｃの間も同様である。すなわち、細管束ユニット１２ａ〜１２ｃからなるモジュールは、図４Ａの伝熱細管１の列を単純に９層積層して形成された構造と同じである。
【００４３】
図４Ａの伝熱細管１の列を積層する際には、各伝熱細管列を構成する伝熱細管１は、上下に隣り合う他の伝熱細管列の細管列保持部材１６ａ〜１６ｄに設けられた細管受け凹部１７に嵌め込まれる。そのため、上下に隣り合う層ごとに、細管列保持部材１６ａ〜１６ｄが交互にずれて配置される。また、細管列保持部材１６ａ〜１６ｄは、伝熱細管１の両端の領域に一対づつ配置されている。すなわち、一端側に細管列保持部材１６ａ、１６ｂが、他端側に細管列保持部材１６ｃ、１６ｄが、それぞれ近接して配置されている。この配置により、両端の細管列保持部材１６ｂ、１６ｄの間に、図１Ｂ等に示した間隙１０が形成される。
【００４４】
以上の構成を有する熱交換器を用いる際には、血液を、血液導入口８から血液流路５に流入させて、血液導出口９から流出するように流動させる。同時に、冷温水を、冷温水導入ヘッダー６から細管束２に流入させて、冷温水導出ヘッダー７から流出するように流動させる。それにより、血液流路５において、血液と冷温水の間で熱交換が行われる。
【００４５】
この熱交換器により、以下のような作用および効果が得られる。すなわち、冷温水導入ポート６ａから冷温水導入ヘッダー６の下部流動分室１３ｂに導入された冷温水は、第３細管束ユニット１２ｃの伝熱細管１の内腔を流動して、冷温水導出ヘッダー７の下部流動分室１４ｂに流れ込む。そこで更に、第２細管束ユニット１２ｂの伝熱細管１に進入し流動して、冷温水導入ヘッダー６の上部流動分室１３ａに達する。そこで次に、第１細管束ユニット１２ａの伝熱細管１に進入し流動して、冷温水導出ヘッダー７の上部流動分室１４ａに達し、冷温水導出ポート７ａから流出する。
【００４６】
このようにして、冷温水導入ヘッダー６及び冷温水導出ヘッダー７は、導入される冷温水が、３段の第３〜第１細管束ユニット１２ｃ〜１２ａを順次通過するように構成されている。このように、導入される冷温水が、分割された複数組の細管束ユニットを順次通過する構成を、以降の記載においては分割通流と称する。これに対して従来例ように、導入される冷温水が冷温水導入ヘッダー６において全ての伝熱細管１に一斉に流入する構成を一斉通流と称する。
【００４７】
分割通流を採用することにより、冷温水が通過する流路断面積が小さくなるので、冷温水流量が同一であれば、一斉通流の場合に比べて、第１〜第３細管束ユニット１２ａ〜１２ｃの各々の伝熱細管１を流れる冷温水の流速を大きくすることができる。それにより、伝熱細管１の内壁における境膜抵抗が低減され、熱交換効率を向上させることができる。なお、従来の一斉通流において、冷温水の供給源からの供給流量（流速）を増大させれば熱交換効率を向上させることはできるが、冷温水供給源の流速を医療施設側で増大させることは、実際には困難である。従って、本実施の形態のようにして熱交換効率を向上させることは、実用的に極めて効果的である。
【００４８】
また、図１Ｂに示した断面構成においては、縦方向（垂直方向）折り返し構造、すなわち、細管束２が血液の流通方向すなわち縦方向において分割されて、複数段の細管束ユニットが形成された構造が採用されている。しかも冷温水は、血液流路５の下流側に配置された下流段の細管束ユニット１２ｃから上流段に向かって、細管束ユニット１２ｂ、細管束ユニット１２ａと順次経由して流動する。これにより、血流に対して冷温水の流れが向流になり、より高い熱交換効率を得るために効果的である。
【００４９】
本実施の形態のように、縦方向折り返し構造を形成するためには、冷温水導入ヘッダー６の流動室を、隔壁６bにより上部流動分室１３ａと下部流動分室１３ｂとに区画し、また、冷温水導出ヘッダー７の流動室を、隔壁７ｂにより上部流動分室１４ａと下部流動分室１４ｂとに区画する必要がある。
【００５０】
そのためには、第２細管束ユニット１２ｂの左端部、及び第１細管束ユニット１２ａの右端部に、図２Ａ、図２Ｂに示したような突出部１５ａ、１５ｂを形成させた構造が効果的である。これにより、第１〜第３細管束ユニット１２ａ〜１２ｃの各段間に不要な間隔を設けなくとも、隔壁６b、７ｂを配置することができる。すなわち、第１〜第３細管束ユニット１２ａ〜１２ｃの各段間の間隔は、細管束ユニット内での伝熱細管１の積層間隔と同じでよい。従って、第１〜第３細管束ユニット１２ａ〜１２ｃの積層構造の厚みを最小限にして、血液流路５における血液充填量を最小限に抑制することができる。
【００５１】
図５に、分割通流により熱交換効率が向上する効果について実験した結果を示す。図５における「分割並流」及び「分割向流」が、本実施の形態による分割通流の場合を示す。「分割向流」は、図１Ｂに示したような、熱媒体液の流通方向に細管束が分割され、熱媒体液が向流となるように設定された場合である。「分割並流」は、分割の態様は同様であるが、熱媒体液が血液の流通と同じ向きである並流となるように設定された場合を示す。いずれの場合も、血液流路５の開口径は７０ｍｍ、伝熱細管１の層数は１２層とした。
【００５２】
図５から、一斉通流の場合に比べて、分割通流である分割並流及び分割向流の場合の熱交換効率が高いことが判る。これは、上述のように、分割通流の方が伝熱細管１を流れる冷温水の流速が大きいことにより、境膜抵抗が低減するためである。また、血液下流側においても、熱媒体液と血液との温度差を高く維持できるので、分割並流の場合よりも分割向流の場合の方が熱交換効率が高い結果が得られている。一斉通流に対して、分割並流の場合は熱交換効率が３６％向上し、分割向流の場合は熱交換効率が５４％向上している。
【００５３】
次に、細管束２を縦方向に分割して複数層の細管束ユニットを構成する場合の、適切な細管束ユニットの層数、及び各細管束ユニットを構成する伝熱細管１の適切な層数について検討した結果を、図６に示す。
【００５４】
図６の（ａ）は、細管束ユニットの段数が２段、すなわち冷温水の流れを折り返す段数が２段の場合であり、各段の細管束ユニットを構成する伝熱細管が３層（積層本数）、４層、５層、及び６層の場合の熱交換効率の測定結果を示す。図６の（ｂ）は、折り返し細管束ユニットの段数が３段の場合であり、各段の細管束ユニットを構成する伝熱細管が２層、３層、及び４層の場合の熱交換効率の測定結果を示す。横軸の下部に示したＥＳＡは、有効膜面積（Effective Surface Area）、Ｕは熱媒体の流速を示す。図６から、折り返し細管束ユニット段数は、（ａ）の２段の場合に比べて、（ｂ）の３段の場合の方が高い熱交換効率を得易いことが判る。
【００５５】
折り返し細管束ユニット段数が３段の場合、細管束ユニットを構成する伝熱細管の層数が２層、すなわち図６の（ｂ）の左端の２−２−２層の構成の場合、３層、及び４層の場合に比べて若干熱交換効率が劣る。しかし、２段の場合に比べれば高い熱交換効率を得ることが可能である。しかも、３段を合計した伝熱細管の層数は６層であり、これに対応する伝熱細管層数を有する２段で３−３層の構成に比べれば、十分に高い熱交換効率が得られる。伝熱細管層数が同一ということは、血液充填量が同程度であることを意味する。従って、２−２−２層の構成によれば、血液充填量を抑制しながら、熱交換効率を向上させることが可能であることが判る。
【００５６】
また、３段の場合に、細管束ユニットを構成する伝熱細管の層数が３層と４層との間では、熱交換効率に有意な差は見られないことが判る。但し、４段以上はオーバースペックであり、圧損の増大のため、流量も増えない。この結果を考慮すれば、３層の伝熱細管により構成された細管束ユニットを３段に積層した場合に、実用上最も良好な構造が得られることが判る。
【００５７】
また、３段折り返し構造のように、奇数回の返し構造の場合、冷温水導入ポート６ａと冷温水導出ポート７ａを細管束２の両端に振り分けることができ、ポートのレイアウトのバランスが良い利点もある。
【００５８】
図２Ａに示した、上部流動分室１３ａと下部流動分室１３ｂを隔壁６bにより分離するための構造は、図７Ａに示すように変更することもできる。また、図２Ｂに示した、上部流動分室１４ａと下部流動分室１４ｂを隔壁７bにより分離するための構造は、図７Ｂに示すように変更することもできる。
【００５９】
すなわち、図２Ａに示した構造では、第２細管束ユニット１２ｂの左端部が、第３細管束ユニット１２ｃの左端部よりも突出した突出部１５ａを形成している。これに対して、図７Ａに示す構造では、第３細管束ユニット１２ｃの左端部が、第２細管束ユニット１２ｂの左端部よりも突出した突出部１５ｃを形成している。突出部１５ｃの側面に隔壁６bの側面が当接しており、両側面の境界では、実用上十分な程度の液密構造が形成されている。第２細管束ユニット１２ｂの左端面と隔壁６bの先端との間には、間隔ｄが設けられている。
【００６０】
また、図２Ｂに示した構造では、第１細管束ユニット１２ａの右端部が、第２細管束ユニット１２ｂの右端部よりも突出した突出部１５ｂを形成している。これに対して、図７Ｂに示す構造では、第２細管束ユニット１２ｂの右端部が、第１細管束ユニット１２ａの右端部よりも突出した突出部１５ｄを形成している。突出部１５ｄの側面に隔壁７bの側面が当接しており、両側面の境界では、実用上十分な程度の液密構造が形成されている。第１細管束ユニット１２ａの右端面と隔壁７bの先端との間には、間隔が設けられている。
【００６１】
なお、図７Ａ、図７Ｂに示した構造に比べると、図２Ａ、図２Ｂに示した構造の方が、流動分室間の液漏れが発生し難い。何故ならば、図７Ａ、図７Ｂの構造の場合、伝熱細管１から流出する熱媒体液の流れが、細管束ユニットの突出部と隔壁６b、７ｂの当接面に対して衝突する作用が発生するのに対して、図２Ａ、図２Ｂの構造ではそのような流れにはならないからである。
【００６２】
この理由から、図２Ａ、図２Ｂに示した構造の方が、突出部１５ａの側面と隔壁６bの側面の間の隙間の存在に対する許容度が高い。すなわち、冷温水の上部流動分室１３ａへの漏出を問題のない範囲に抑制し、熱交換効率を所定範囲に維持するためには、図７Ａ、図７Ｂの構造の場合に比べて、より大きな隙間が許容される。従って、設計、製造が容易である。
【００６３】
また、図２Ａ、図２Ｂ、図７Ａ、図７Ｂに示したような構成において、隔壁６b、７ｂの側面部分は、図８に示すようなテーパ形状を有することが望ましい。すなわち、隔壁６ｂは、第２細管束ユニット２ｂの側面に当接する側面部分が、伝熱細管１の内部に向かって細くなったテーパ面１８を形成する。第２細管束ユニット２ｂの側面とテーパ面１８の位置関係を適切に設定すれば、それらを組合わせたときに、第２細管束ユニット２ｂの側面とテーパ面１８との間に圧接力が作用し、両側面間の密閉度を向上させることができる。
【００６４】
なお、上述の図面には図示されていないが、ハウジング４は、例えばハウジング底部とハウジング上部のように分割して形成され、細管束２等を収容して一体に結合させる構造とすることができる。また、ハウジング４は、細管束２及びシール部材３ａ〜３ｃを収容する構造のみとし、冷温水導入ヘッダー６及び冷温水導出ヘッダー７をハウジング４とは別体の構成とすることもできる。
【００６５】
また、上述の説明では、細管束ユニットが３段の場合の冷温水導入ヘッダー及び冷温水導出ヘッダーの構造を示したが、他の段数の場合も同様に構成することは容易である。すなわち、上流端または下流端に位置する１段の細管束ユニットに対応する流動分室を必ず設ける。従って、少なくとも冷温水導入ヘッダー及び冷温水導出ヘッダーには流動分室が形成される。また、他の２段毎の細管束ユニットに対応させて流動分室を区画する。導入ポートおよび導出ポートは、１段の細管束ユニットに対応する流動分室に対して設ける。それにより、導入ポートから流入する熱媒体液が複数段の細管束ユニットを順次通過し、導出ポートから流出するように流路が形成される。
【００６６】
本実施の形態において、伝熱細管１を構成する材料としては、例えばステンレス鋼等の金属材料が好適である。ハウジング４の材料としては、例えば、透明で且つ耐破損強度に優れたポリカーボネート樹脂のような樹脂材料を用いることができる。シール部材３ａ〜３ｃを形成するための樹脂材料としては、例えば、伝熱細管１を構成する材料（例えば、金属材料）と接触する部分にはエポキシ樹脂を用い、そのエポキシ樹脂とハウジング４との間に介在する部分にはポリウレタン樹脂を用いることが望ましい。
【００６７】
（実施の形態２）
図９は、実施の形態８における人工肺装置を示す断面図である。この人工肺装置は、実施の形態１における熱交換器２０を人工肺２１と組み合わせて構成されている。但し、熱交換器２０に代えて、上述の他の態様の熱交換器を備えた構成とすることもできる。
【００６８】
熱交換器２０は、人工肺２１の上に積層されており、人工肺２１のハウジング２２に熱交換器２０のハウジング４が結合されている。但し、熱交換器２０のハウジング４と人工肺２１のハウジング２２が一体に形成された構造とすることもできる。人工肺２１の領域には、酸素ガスを導入するためガス導入路２３、血液中の二酸化炭素等を導出するためのガス導出路２４が設けられている。
【００６９】
人工肺２１は、複数本の中空糸膜２５と、シール部材２６とを備えている。シール部材２６は、ガス導入路２３やガス導出路２４に血液が侵入しないように、中空糸膜２５をシールしている。シール部材２６によるシールは、中空糸膜２５を構成する中空糸の両端が露出するように行われている。ガス導入路２３とガス導出路２４とは、中空糸膜２５を構成する中空糸によって連通している。
【００７０】
また、人工肺２１においてシール部材２６の存在していない空間は、円筒状の血液流路２７を構成しており、血液流路２７内には中空糸膜２５が露出している。更に、血液流路２７の血液入口側は、熱交換器２０の血液流路５の出口側に連通している。
【００７１】
以上の構成により、血液導入口８から導入され、血液流路５を通って熱交換された血液は、血液流路２７へと流れ込み、そこで、中空糸膜２５に接触する。このとき、血液には、中空糸膜２５を流れる酸素ガスが取り込まれる。また、酸素ガスが取り込まれた血液は、ハウジング２２に設けられた血液導出口２８から、外部に導出され、患者に返血される。一方、血液中の二酸化炭素は、中空糸膜２５に取り込まれ、その後、ガス導出路２４によって導出される。
【００７２】
このように、図９に示す人工肺装置においては、熱交換器２０によって血液の温度調整が行われ、温度調整が行われた血液は人工肺２１によってガス交換される。また、このとき、熱交換器２０にシール漏れが発生し、伝熱細管１を流れる冷温水が流出しても、冷温水は間隙１０に現れ、漏洩を検出することができる。このため、図９に示す人工肺装置によれば、シール漏れを検知でき、又冷温水による血液の汚染を抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明によれば、伝熱細管を流れる冷温水の流速を大きくできるので、伝熱細管の内壁における境膜抵抗を低減して、熱交換領域の容積の増大を抑制しながら、熱交換効率を向上させることが可能であり、人工肺装置等に用いる医療用熱交換器として有用である。
【符号の説明】
【００７４】
１、１０１  伝熱細管
２、１０２  細管束
３ａ〜３ｃ、１０３ａ〜１０３ｃ  シール部材
４、１０４  ハウジング
５、１０５  血液流路
６  冷温水導入ヘッダー
６ａ  冷温水導入ポート
６ｂ、７ｂ  隔壁
７  冷温水導出ヘッダー
７ａ  冷温水導出ポート
８、１０６  血液導入口
９、１０７  血液導出口
１０、１０８  間隙
１１、１０９  漏液排出孔
１２ａ〜１２ｃ  第１〜第３細管束ユニット
１３ａ、１４ａ  上部流動分室
１３ｂ、１４ｂ  下部流動分室
１５ａ〜１５ｄ  突出部
１６ａ〜１６ｄ  細管列保持部材
１７  細管受け凹部
１８  テーパ面
２０  熱交換器
２１  人工肺
２２  ハウジング
２３  ガス導入路
２４  ガス導出路
２５  中空糸膜
２６  シール部材
２７  血液流路
２８  血液導出口
【図１Ａ】
2010284196.tif 000003
【図１Ｂ】
2010284196.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
2010284196.tif 000006
【図２Ｂ】
2010284196.tif 000007
【図３Ａ】
2010284196.tif 000008
【図３Ｂ】
2010284196.tif 000009
【図４Ａ】
2010284196.tif 000010
【図４Ｂ】
2010284196.tif 000011
【図５】
2010284196.tif 000012
【図６】
2010284196.tif 000013
【図７Ａ】
2010284196.tif 000014
【図７Ｂ】
2010284196.tif 000015
【図８】
2010284196.tif 000016
【図９】
2010284196.tif 000017
【図１０Ａ】
2010284196.tif 000018
【図１０Ｂ】
2010284196.tif 000019
【図１０Ｃ】
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